FR2698150A1 - Dispositif d'isolation thermique d'un organe à température cryogénique, vis-à-vis d'une structure extérieure en contact avec cet organe. - Google Patents

Abstract

Afin d'assurer l'isolation thermique d'un organe à température cryogénique, tel qu'un réservoir (10) d'oxygène liquide, aux endroits où cet organe est en contact avec des structures extérieures (22) à température non cryogénique, on prévoit à ces endroits des liaisons (18) thermiquement isolantes. Chacune de ces liaisons est constituée par une structure mécanique délimitant intérieurement une chambre remplie d'un matériau microporeux autorisant une circulation de gaz lente et contrôlée. Une zone de la chambre adjacente à l'organe cryogénique communique au travers d'une vanne (34) avec une réserve d'alimentation (30) remplie d'un gaz liquéfié, tel que de l'azote, non condensable à la température dudit organe. Le gaz s'échappe de la chambre du côté le plus éloigné de l'organe à température cryogénique.

Description

DISPOSITIF D'ISOLATION THERMIQUE D'UN ORGANE
A TEMPERATURE CRYOGENIQUE, VIS-A-VIS D'UNE STRUCTURE
EXTERIEURE EN CONTACT AVEC CET ORGANE.

DESCRIPTION
L'invention concerne un dispositif permettant d'assurer l'isolation thermique d'un organe à température cryogénique, tel qu'un réservoir ou un circuit d'alimentation en fluide cryogénique d'un lanceur spatial, visà-vis d'une structure extérieure à température non cryogénique, en contact avec cet organe.

Les réservoirs et les circuits d'alimentation des lanceurs spatiaux à carburant et comburant cryogéniques (généralement constitués par de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide) sont protégés habituellement par des isolations thermiques de conception classique, étanches au gaz pour éviter les phénomènes de cryopompage.

Cependant, les isolations thermiques sont interrompues aux endroits où ces organes à température cryogénique tels que les réservoirs et les circuits sont reliés au reste de la structure du lanceur. Etant donné que les structures auxquelles sont reliés les organes à température cryogénique se trouvent à des températures sensiblement plus élevées, il se produit à l'emplacement de ces liaisons des pertes thermiques importantes. Par conséquent, ces pertes thermiqes doivent être prises en compte lors de la conception des lanceurs et elles entraînent un accroissement de la consommation des propergols cryogéniques.

On peut envisager de résoudre ce problème en interposant un isolant structural (matériau possédant de bonnes caractéristiques mécaniques et, de ce fait, des caractéristiques thermiqes moindres), entre l'organe cryogénique et la structure extérieure, pour un usage unique et de courte durée (quelques minutes), comme c'est le cas sur les lanceurs. En revanche, cette solu tion est inadaptée pour des usages multiples et de plus longue durée (une heure ou plus), par exemple sur des avions hypersoniques à moteurs cryogéniques car les isolants structuraux perdent rapidement leur efficacité d'isolation pour de longues durées.

L'invention a précisément pour objet un dispositif conçu pour être interposé entre un organe à température cryogénique et chacune des structures extérieures qui se trouvent en contact avec cet organe, afin de supprimer les pertes thermiques qui se produisent habituellement à ces endroits, et de plus, d'économiser les propergols cryogéniques.

L'invention a aussi pour objet un dispositif d'isolation thermique qui soit adapté à un usage multiple et de longue durée.

Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif d'isolation thermique d'un organe à température cryogénique, vis-à-vis d'une structure extérieure à température non cryogénique, en contact avec cet organe, caractérisé par le fait qu'il comprend - entre la structure extérieure et ledit organe, au
moins une chambre remplie d'un matériau microporeux
autorisant une circulation lente et contrôlée de gaz
entre au moins un orifice d'entrée débouchant dans
une zone de la chambre la plus proche dudit organe
et au moins un orifice de sortie débouchant dans une
zone de la chambre la plus éloignée dudit organe ; et - une réserve d'alimentation, en contact direct avec
ledit organe et contenant un gaz liquide ou sous pres
sion à la température de cet organe, cette réserve
d'alimentation étant reliée à l'orifice d'entrée au
travers d'un moyen de contrôle de la circulation du
gaz vers ladite chambre.

Dans le cas où ce gaz introduit dans la réserve d'alimentation est un gaz liquéfié tel que de l'azote, il s'échauffe et entre en ébullition en raison du contact direct de la réserve avec l'organe à température cryogénique. La pression s'élève donc dans la réserve d'alimentation. Lors de l'ouverture du moyen de contrôle, constitué selon la nature du gaz par une vanne ou par un détendeur, le gaz sous pression s'échappe de la réserve pour circuler très lentement dans la chambre remplie du matériau microporeux. A l'intérieur de cette chambre, le gaz provenant de la réserve d'alimentation constitue une barrière qui s'oppose aux transferts thermiques entre l'organe à température cryogénique et la structure extérieure.

La circulation de gaz depuis la réserve d'alimentation vers la chambre remplie du matériau microporeux est entretenue automatiquement, du fait que l'échappement progressif de ce gaz se traduit en permanence par une légère baisse de pression conduisant à l'ébullition d'une partie du gaz liquéfié contenu dans la réserve d'alimentation. Cette ébullition provoque un refroidissement du gaz, suivi d'un léger réchauffement de celui-ci du fait de l'échange thermique qui se poursuit entre la réserve d'alimentation et l'organe à température cryogénique.

Du fait de la lenteur de la circulation du gaz dans la chambre remplie du matériau microporeux, depuis la zone de la chambre la plus proche de l'organe à température cryogénique vers la zone de la chambre la plus éloignée de cet organe, il existe en permanence un gradient thermique entre ces deux zones, qui se trouvent respectivement à la température cryogénique et à la température extérieure. En l'absence de toute convection du gaz, ce dernier constitue un isolant thermique dont la durée n'est limitée que par la quantité de gaz stockée dans la réserve d'alimentation. On peut ainsi assurer l'isolation thermique d'un organe à température cryogénique par rapport à la structure extérieure en contact avec cet organe pendant plusieurs heures, ce qui est totalement impossible actuellement.De plus, le dispositif selon l'invention est réutilisable une fois que la réserve d'alimentation a été remplie à nouveau. Ces caractéristiques permettent notamment d'envisager la protection thermique des différents organes à température cryogénique d'un avion hypersonique équipé de moteurs à ergols cryogéniques.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, apppliqué notamment à la protection thermique d'un organe contenant de l'oxygène liquide, le matériau microporeux est un matériau à base de carbone, à très grande surface spécifique.

Dans ce même mode de réalisation de l'invention, le gaz est de l'azote liquide, et le moyen de contrôle est alors constitué par une vanne.

Dans une variante de mise en oeuvre, appliquée notamment à la protection thermique d'un organe contenant de l'hydrogène liquide, le gaz est de l'hélium sous pression et le moyen de contrôle est constitué par un détendeur.

On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, différents modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe verticale illustrant de façon schématique un réservoir d'oxygène liquide dont les liaisons à la structure environnante sont assurées au moyen de dispositifs d'isolation thermique conformes à l'invention
- la figure 2 est une vue en coupe verticale représentant à plus grande échelle l'un des dispositifs d'isolation thermique utilisés dans le mode de réalisation de la figure 1
- la figure 3 est une vue en coupe verticale comparable à la figure 1, illustrant schématiquement une variante de réalisation de la réserve d'alimentation associée au réservoir d'oxygène liquide dans le dispositif d'isolation thermique selon l'invention ; et
- la figure 4 est une vue en coupe longitudinale illustrant de façon schématique l'utilisation d'un dispositif d'isolation thermique conforme à l'invention pour protéger thermiquement une tuyauterie dans laquelle circule un fluide cryogénique, à l'endroit où cette tuyauterie traverse une cloison.

On décrira tout d'abord, en se référant aux figures 1 et 2, une première forme de réalisation de l'invention, appliquée à l'isolation thermique d'un réservoir 10 d'oxygène liquide 11, dans les zones où ce réservoir est relié mécaniquement à d'autres structures qui peuvent se trouver à des températures très différentes de celles du réservoir 10. Ainsi, alors que la température de l'oxygène liquide sous pression normale contenu dans le réservoir 10 est de 90 K, la température des structures extérieures avec lesquelles ce réservoir est en contact peut être de 300 K ou plus. Par exemple, si les structures adjacentes sont proches de la tuyère d'un lanceur, ces températures peuvent atteindre et même dépasser 1500 K.

Le réservoir 10 d'oxygène liquide est délimité extérieurement par une enveloppe (figure 2) qui comporte une partie centrale cylindrique 12, d'axe vertical, et deux fonds hémisphériques 13, soudés dans cette partie cylindrique 12.

Dans la forme de réalisation illustrée sur les figures 1 et 2, la partie centrale cylindrique 12 de l'enveloppe se prolonge légèrement de part et d'autre des zones de soudage des fonds 13 dans cette partie centrale cylindrique. Les extrémités de la partie cylindrique 12 sont raccordées sur les extrémités de deux structures cylindriques coaxiales 14, de même diamètre, par l'intermédiaire de liaisons thermiquement isolantes 18, réalisées conformément à l'invention. Ces liaisons thermiquement isolantes 18 permettent de couper les ponts thermiques qui existeraient en leur absence entre l'enveloppe froide du réservoir 10 et les structures extérieures 14 qui se trouvent à une température non cryogénique au moins égale à 300 K et pouvant atteindre des valeurs très supérieures, par exemple si ces structures se trouvent à proximité des tuyères d'un moteur cryogénique.

L'enveloppe du réservoir 10, ainsi que les structures extérieures 14 sont habituellement métalliques.

D'une manière en elle-même classique, la partie centrale cylindrique 12 de l'enveloppe du réservoir 10, ainsi que les fond hémisphériques 13 sont revêtus sur leurs faces extérieures d'une structure 20 thermiquement isolante. Cette structure 20 est, par ailleurs, étanche aux gaz afin d'éviter les phénomènes de cryopompage.

La structure 20 thermiquement isolante peut notamment être une structure alvéolaire à cellules fermées.

Les liaisons thermiquement isolantes 18 ainsi que les structures extérieures 14 sont protégées sur leurs surfaces extérieures par une structure 22 thermiquement isolante assurant leur protection vis-à-vis de la chaleur pouvant régner à l'extérieur de ces structures. Les structures 22 thermiquement isolantes peuvent par exemple être des structures à base de laine de verre ou d'amiante.

Les liaisons 18 thermiquement isolantes présentent une structure de base permettant d'assurer la reprise mécanique des efforts qui doivent être transmis entre l'enveloppe du réservoir 10 et les structures extérieures 14. Cette structure de base des liaisons 18 est avantageusement réalisée en un matériau thermiquement isolant tel qu'un matériau composite comprenant une peau inté rieure et une peau extérieure, entre lesquelles est placée une structure de liaison mécanique telle qu'une structure en nid d'abeilles délimitant une chambre intérieure 24. Dans la configuration illustrée sur les figures 1 et 2, cette chambre 24 est une chambre annulaire centrée sur l'axe vertical du réservoir 10.

La chambre 24 est remplie d'un matériau microporeux autorisant une circulation de gaz lente et contrôlée entre un ou plusieurs orifices d'entrée 26, débouchant dans la zone de la chambre 24 la plus proche de l'enveloppe du réservoir 10 et un ou plusieurs orifices de sortie 28 débouchant dans la zone de la chambre 24 la plus proche de la structure extérieure 14 adjacente.

Ce matériau remplissant la chambre 24 peut notamment être un matériau à base de carbone tel qu'une poudre de carbone ou une mousse de carbone actif à très grande surface ouverte. Dans certains cas, le matériau à base de carbone peut être remplacé par un autre matériau microporeux tel que de la silice.

Le dispositif d'isolation thermique conforme à l'invention comprend, en plus des liaisons 18 thermiquement isolantes, des moyens permettant d'injecter par le ou les orifices d'entrée 26 un gaz non condensable à la température du réservoir 10, c'est-à-dire à 90 K lorsque ce réservoir contient de l'oxygène liquide 11.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ce gaz est alors constitué par de l'azote, dont la température d'ébullition est de 70 K sous pression normale.

Ces moyens permettant d'injecter de l'azote à l'état gazeux par les orifices d'entrée 26 de chacune des liaisons 18 thermiquement isolantes comprennent une ou plusieurs réserves d'alimentation 30 (figure 1), aptes à communiquer avec les orifices d'entrée 26 par des tuyauteries 32 contrôlées par des vannes 34.

Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, la réserve d'alimentation 30 est délimitée par une paroi sphérique et située dans le bas du réservoir 10 d'oxygène liquide. Plus précisément, la paroi sphérique 36 de la réserve d'alimentation 30 est soudée dans un trou circulaire formé selon l'axe vertical du réservoir 10, dans le fond inférieur de ce dernier.

Cet agencement a pour conséquence que l'oxygène liquide 11 contenu dans le réservoir 10 est en contact direct avec la partie supérieure, en forme de calotte sphérique de la paroi 36. Cette partie supérieure de la paroi 36 est dépourvue de toute isolation thermique. Au contraire, la partie basse de la paroi sphérique 36 de la réserve d'alimentation 30, située à l'extérieur du réservoir 10, est protégée sur sa surface extérieure par une isolation thermique 38 analogue à l'isolation thermique 20 qui protège le réservoir 10.

La ou les canalisations 32 débouchent dans la réserve d'alimentation 30 à une de leurs extrémités et leur extrémité opposée est reliée à chacun des orifices d'entrée 26 de la chambre 24 de chaque liaison thermiquement isolante 18. Ces canalisations 32 cheminent le long de la face extérieure de l'isolation thermique 20 du réservoir 10. Chacune d'entre elles est équipée d'une vanne 34, normalement fermée lorsque le dispositif d'isolation thermique n'est pas en fonctionnement.

De même que le réservoir 10 est équipé de façon classique d'un système d'injection d'oxygène liquide non illustré sur les figures, la réserve d'alimentation 30 est également équipée d'un système d'injection (non représenté) de conception classique, permettant de le remplir d'azote liquide 37 comme l'illustre la figure 1.

Alors que l'oxygène liquide 11 sous pression normale contenu dans le réservoir 10 se trouve à 90 K, l'azote liquide 37 est introduit dans la réserve d'ali mentation 30 sous pression normale à 70 K. Il se produit donc un échange thermique entre l'oxygène liquide et l'azote liquide au travers de la partie supérieure de la cloison 36. Etant donné que le volume de la réserve d'alimentation 30 est très inférieur au volume du réservoir 10, cet échange thermique a pour conséquence d'élever la température de l'azote liquide à 90 K. Cela se traduit par un accroissement de la pression de l'azote dans la réserve 30 à une valeur d'environ 4 bars.

Lorsqu'on désire que le dispositif d'isolation thermique selon l'invention entre en fonction, on ouvre la vanne 34 située dans chacune des canalisations 32.

Sous l'effet de la pression régnant alors dans la réserve d'alimentation 30, de l'azote à l'état gazeux et à une température d'environ 70 K est immédiatement éjecté par les canalisations 32 et pénètre par les orifices d'entrée 26 dans la chambre 24 de chacune des liaisons 18 thermiquement isolantes. Etant donné que la chambre 24 est remplie d'un matériau à base de carbone à très grande surface spécifique, l'azote est adsorbé par le carbone, de telle sorte que l'azote à l'état gazeux circule à très faible vitesse entre l'orifice d'entrée 26 et l'orifice de sortie 28.

Le déplacement lent et contrôlé de l'azote à l'état gazeux dans la chambre 24 de chacune des liaisons 18 thermiquement isolantes permet d'établir dans cette chambre un gradient thermique depuis la zone voisine du réservoir, dans laquelle débouchent les orifices d'entrée 26, et la zone la plus éloignée du réservoir, dans laquelle débouchent les orifices de sortie 28.

Dans la première zone, la température est d'environ 70 K, alors que la température dans la deuxième zone correspond à la température de la structure extérieure 14, qui est au minimum de 300 K et peut atteindre des valeurs voisines de 1500 K ou même des températures supérieures. Une isolation efficace de la structure du réservoir 12 par rapport à la structure extérieure 14 est ainsi réalisée. De plus, l'évacuation du gaz chaud vers l'extérieur par les orifices de sortie 28 permet d'évacuer les calories transférées par la structure extérieure chaude 14.

Parallèlement à la circulation lente et contrôlée de l'azote à l'état gazeux dans la chambre 24 de chacune des liaisons 18 thermiquement isolantes, il se produit dans la réserve d'alimentation 30 un phénomène thermodynamique auto-entretenu, qui a pour effet de maintenir la pression dans ce réservoir à un niveau tel que de l'azote à l'état gazeux est expulsé en permanence vers les orifices d'entrée 26 tant qu'il reste de l'azote liquide dans la réserve.

Ce phénomène auto-entretenu résulte de la combinaison de l'effet de détente qui suit l'ouverture des vannes 34 avec l'échange thermique qui se produit en permanence entre l'oxygène liquide et l'azote au travers de la cloison 36. La baisse de la pression dans la réserve d'alimentation 30 se traduit par une ébullition superficielle de l'azote liquide et par un refroidissement de celui-ci à une température d'environ 70 K. Par ailleurs, l'échange thermique qui se produit entre l'oxygène et l'azote au travers de la cloison 36 tend à réchauffer légèrement l'azote, ce qui maintient celui-ci en ébullition. Le léger refroidissement de l'oxygène qui se produit parallèlement est sans conséquence, compte tenu de la grande dimension du réservoir 12.

La description qui précède fait apparaître que le dispositif d'isolation thermique selon l'invention peut fonctionner pendant une durée qui n'est limitée que par le volume d'azote liquide 37 stocké initialement dans la ou les réserves d'alimentation 30. On réalise donc ainsi une isolation thermique efficace et de longue durée (plusieurs heures) entre la structure du réservoir 12 et les structures extérieures 14 qui sont en contact avec ce réservoir. Cette isolation thermique, qui complète l'isolation thermique statique 20 du réservoir, minimise les pertes thermiques en supprimant les ponts thermiques aux endroits où le réservoir est en contact avec des structures extérieures. Cela améliore donc le rendement cryogénique du système et permet d'économiser l'oxygène liquide.De plus, le fonctionnement de longue durée du dispositif d'isolation thermique selon l'invention permet d'envisager son utilisation dans des avions supersoniques à moteurs cryogéniques, dans lesquels des gradients thermiques importants peuvent exister entre les liaisons structurelles des organes à température cryogénique.

On a illustré schématiquement sur la figure 3 une variante de réalisation de la réserve d'alimentation 30, montrant que la forme sphérique illustrée sur la figure 1 ne constitue qu'un exemple de réalisation non limitatif.

Ainsi, dans le cas de la figure 3, la réserve d'alimentation 30 présente la forme d'un cylindre dont la majeure partie est logée directement à l'intérieur du réservoir 10, selon l'axe vertical de ce dernier. Par ailleurs, le fond inférieur de la réserve d'alimentation 30 est placé dans la partie centrale du fond 13 constituant la partie inférieure de l'enveloppe du réservoir 10.

Cet agencement a pour avantage d'accroître la taille de la partie supérieure de la cloison 36 au travers de laquelle s'effectue l'échange thermique entre l'oxygène liquide 11 contenu dans le réservoir 10 et l'azote liquide 37 contenu dans la réserve d'alimentation 30. Il permet aussi de faciliter le montage et le démontage de la réserve d'alimentation 30, qui peut être aisément reliée au fond inférieur 13 du réservoir 10 par un mécanisme (non représenté) étanche et démontable.

Par ailleurs, il est important d'observer que l'invention n'est pas limitée à l'isolation thermique des liaisons structurelles entre un réservoir contenant un liquide cryogénique et les structures extérieures en contact avec ce réservoir, mais peut être utilisée dans tous les cas où un organe à température cryogénique est en contact avec une structure extérieure à une température non cryogénique. Ainsi, et uniquement à titre d'exemple, la figure 4 montre qu'une liaison 18 thermiquement isolante peut être placée conformément à l'invention entre une canalisation 40 véhiculant un fluide cryogénique et une cloison 42 traversée par cette canalisation et avec laquelle elle est en contact.

Comme dans le cas d'un réservoir, la liaison 18 thermiquement isolante comprend principalement une structure de liaison mécanique délimitant intérieurement une chambre 24 dans lequel un gaz tel que de l'azote peut être introduit par un ou plusieurs orifices d'entrée 26 débouchant dans la zone de la chambre 24 adjacente à la canalisation 40. Ce même gaz ressort de la chambre 24 par un ou plusieurs orifices de sortie 28 qui débouchent dans la zone de la chambre 24 adjacente à la cloison 42, après avoir traversé un matériau microporeux contenu dans la chambre 24 et limitant la circulation du gaz dans cette chambre à une vitesse lente et contrôlée. Comme précédemment, ce matériau microporeux peut notamment être constitué par un matériau à base de carbone à très grande surface spécifique.

Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 4, le ou les orifices d'entrée 26 de la liaison 18 thermiquement isolante sont reliés au travers d'une vanne à une réserve d'alimentation (non représentée) associée à un réservoir contenant le fluide cryogénique qui circule dans la canalisation 40, d'une manière analogue à celle qui a été décrite en se référant aux figures 1 et 3.

En dehors de la traversée de la cloison 42, la canalisation 40 est protégée par une isolation thermique statique 44 de conception traditionnelle.

Si l'invention est particulièrement adaptée pour assurer l'isolation thermique d'un réservoir ou d'un circuit contenant de l'oxygène liquide, elle peut s'appliquer à tous les types de fluides cryogéniques susceptibles d'être utilisés dans l'industrie. L'azote liquide constitue dans la majorité des cas le corps le plus adapté pour assurer l'isolation thermique dans les liaisons structurelles entre l'organe à température cryogénique et les structures extérieures. Dans certains cas et notamment lorsque le fluide cryogénique contenu dans l'organe à protéger est de l'hydrogène liquide, l'azote peut être remplacé par de l'hélium, qui doit alors être stocké sous très forte pression dans la réserve d'alimentation. Dans ce cas, qui présente l'avantage d'assurer également une isolation phonique de l'organe considéré, le matériau microporeux qui remplit la chambre 24 peut être de nature quelconque, mais il ne se produit pas de phénomène d'adsorption, de telle sorte qu'il est difficile de ralentir l'écoulement de l'hélium vers l'extérieur. Pour cette raison, on remplace alors les vannes 34 par des détendeurs permettant de contrôler la vitesse d'écoulement de l'hélium hors de la réserve d'alimentation.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'isolation thermique d'un organe à température cryogénique, vis-à-vis d'une structure extérieure à température non cryogénique, en contact avec cet organe, caractérisé par le fait qu'il comprend - entre la structure extérieure et ledit organe, au

moins une chambre (24) remplie d'un matériau micropo

reux autorisant une circulation lente et contrôlée

de gaz entre au moins un orifice d'entrée (26) débou

chant dans une zone de la chambre la plus proche dudit

organe et au moins un orifice de sortie (28) débouchant

dans une zone de la chambre la plus éloignée dudit

organe ; et - une réserve d'alimentation (30), en contact direct

avec ledit organe et contenant un gaz liquide sous

pression à la température de cet organe, cette réserve

d'alimentation étant reliée à l'orifice d'entrée (26)

au travers d'un moyen de contrôle (34) de la circula

tion du gaz vers ladite chambre.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau microporeux est un matériau à base de carbone, à très grande surface spéci fique.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le gaz est de l'azote liquide.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le moyen de contrôle est une vanne (34).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le gaz est de l'hélium sous pression.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le moyen de contrôle est un détendeur.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la réserve d'alimentation (30) présente une paroi commune (36) avec le fond inférieur d'un réservoir (10) contenant un fluide cryogénique, ce réservoir constituant ledit organe à température cryogénique, ou étant relié à cet organe.